2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005
Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN
ISBN: 85-99141-01-5
BOMBA ELETROMAGNÉTICA DE CORRENTE CONTÍNUA
APLICADA NO CONTROLE DE ESCOAMENTO DE METAIS
LÍQUIDOS UTILIZADOS EM REATORES RÁPIDOS
Eduardo M. Borges1, Francisco A. Braz Filho2 e Lamartine N. F. Guimarães3
Instituto de Estudos Avançados (IEAv)
Centro Técnico Aeroespacial (CTA)
São José dos Campos, SP
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUMO
Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo
magnético gera a força magnetomotriz que controla o escoamento de metais líquidos. Neste trabalho utiliza-se o
programa computacional BEMC-1 para avaliar a possibilidade da aplicação de bombas eletromagnéticas no
controle de escoamento de reatores rápidos refrigerados a metais líquidos como Sódio, Chumbo e Bismuto.
Apresenta-se ainda a comparação de resultados teóricos e dados experimentais de ensaios de uma bomba
eletromagnética de corrente contínua, operando em circuitos a Mercúrio, validando o esquema de análise.
1. INTRODUÇÃO
Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente
elétrica e campo magnético geram a força magnetomotriz, que controla o escoamento do
fluido. Sem partes móveis e com alta confiabilidade, este equipamento controla o escoamento
de um metal líquido de alta condutividade elétrica e térmica num circuito fechado e facilita a
circulação natural do líquido em caso de falhas ou acidentes em um reator nuclear.
No reator rápido experimental norte americano EBR-II o escoamento de Sódio líquido do
circuito secundário é controlado por bombas eletromagnéticas de corrente contínua [1].
Reatores refrigerados a Sódio, como o IFR [2] e o PRISM [3], utilizam conceitos avançados
de segurança inerente e passiva. No PRISM prevê-se a utilização de bombas eletromagnéticas
de corrente alternada no circuito primário de refrigeração. Reatores rápidos refrigerados a
Chumbo, a Bismuto ou com combinação de metais líquidos estão sendo projetados usando
conceitos avançados de segurança [4, 5].
No Instituto de Estudos Avançados (IEAv) se projetou e ensaiou a primeira bomba
eletromagnética (EM) de corrente contínua nacional, que funcionou satisfatoriamente em
ensaios estáticos e dinâmicos, em circuitos fechados a mercúrio especialmente desenvolvidos
para este fim [6].
Este trabalho utiliza o programa computacional BEMC-1 [7] (desenvolvido para projetar e
avaliar o desempenho de bombas eletromagnéticas de corrente contínua), compara resultados
teóricos e dados experimentais da bomba EM, operando com Mercúrio, e avalia a
possibilidade da aplicação de bombas eletromagnéticas no controle do escoamento de
reatores rápidos refrigerados a metais líquidos como Sódio, Chumbo e Bismuto.
2. SIMULAÇÕES
O programa BEMC-1, escrito em linguagem C++, foi elaborado com o objetivo de se poder
avaliar, cada etapa do desenvolvimento de uma bomba eletromagnética de corrente contínua,
possibilitando alteração em todos os parâmetros importantes de projeto. Definido o fluido a
ser bombeado e suas propriedades, assim como, a geometria e materiais do canal da bomba,
calcula-se as resistências elétricas envolvidas. Em seguida são calculados o campo magnético
e a pressão estática fornecidas pela bomba EM, em função das correntes elétricas impostas.
Com o BEMC-1 pode-se obter os pontos de operação do sistema, ou seja, a vazão e pressão
dinâmica fornecida pela bomba, operando em circuitos fechados, calculando as perdas de
carga do circuito em função da vazão, do seu diâmetro e do comprimento equivalente.
A bomba eletromagnética de corrente contínua (EM) é formada por um magneto tipo C, com
entreferro de 20 mm e 2000 espiras. A Figura 1 apresenta o esquema da bomba EM. A
corrente de campo, fornecida pela fonte HP-6030A (com fundo de escala de 10 A), pode
gerar um campo magnético máximo de 0,90 Wb/m2. Outra fonte de corrente contínua, com
fundo de escala de 800 A, fornece a corrente principal, que interage com o campo magnético
e produz no fluido (interno ao canal da bomba) a força magnetomotriz que controla o
escoamento. Com base na geometria do canal da bomba, ou seja, altura do canal (a) de 10
mm, largura do canal (b) de 30 mm e o comprimento útil (c) de 70 mm pode-se, com o
programa BEMC-1, avaliar o desempenho teórico da bomba EM, operando com os metais
líquidos. A Tabela 1 apresenta as propriedades dos metais líquidos de interesse para reatores
rápidos, simulados nesta avaliação.
magneto
tipo C
bobina
eletrodo
canal
Figura 1. Esquema da bomba EM com magneto tipo C
Tabela 1. Propriedades dos metais líquidos simulados pelo BEMC-1
Propriedade \ metal
Temperatura (oC)
Resistividade elétrica (ohm.m)
Massa específica (Kg/m3)
Viscosidade dinâmica (N.s/m2)
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
Mercúrio
20
9.3 e-7
1340
1.5 e-3
Sódio
500
2.0 e-7
830
2.4 e-4
Chumbo
500
2.1 e-7
10470
1.78 e-3
Bismuto
500
1.34 e-6
9900
1.0 e-4
As Figuras 2 e 3 apresentam, respectivamente, os dados experimentais de pressão estática e
de vazão da bomba EM operando em circuitos a Mercúrio e compara-se a resultados teóricos
obtidos com o BEMC-1.
2.0E+4
600 A
experimental
pressão estática (N/m2 )
1.6E+4
400 A
1.2E+4
8.0E+3
200 A
4.0E+3
0.0E+0
1
2
3
corrente de campo (A)
4
5
Figura 2. Curvas teóricas e experimentais de pressão estática da bomba EM
6
experimental
600 A
5
vazão (l/ min)
400 A
4
3
200 A
2
1
2
4
6
corrente de campo (A)
8
10
Figura 3. Curvas teóricas e experimentais de vazão de Mercúrio
Observa-se uma boa concordância dos resultados teóricos e experimentais, apresentados nas
Figuras 2 e 3, o que valida o programa BEMC-1 e possibilita a avaliação de uso de outros
metais líquidos na bomba EM. Para tanto, estuda-se o desempenho teórico da bomba EM,
operando com os metais líquidos de interesse. Levantando-se as curvas dinâmicas teóricas
(para possíveis conjuntos de valores de campo magnético e corrente principal, fornecidos
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
pelas fontes de corrente disponíveis) e a curva teórica de perda de carga no circuito dinâmico
(com diâmetro interno de 12,2 mm e comprimento equivalente de 3,8 m), obtidas com o
programa BEMC-1. Os pontos de interseção das curvas são os pontos de operação do
sistema. A Figura 4 apresenta os pontos de operação teórica do sistema, representados pela
interseção das curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Mercúrio com a
curva teórica de perda de carga do circuito dinâmico, obtidos com o BEMC-1.
5.0E+4
circ 3.8 m
pressão dinâmica (N/m2 )
4.0E+4
I= 800 A, B= 0.9 Wb
3.0E+4
2.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
1.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
I= 200 A, B= 0.46 Wb
0.0E+0
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
Figura 4. Curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Mercúrio
A Figura 5 apresenta as curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Sódio e
a curva teórica de perda de carga do circuito dinâmico, obtidos com o BEMC-1.
6.0E+4
pressão dinâmica (N/m2 )
I= 800 A, B= 0.9 Wb
4.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
2.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
circ 3.8 m
I= 200 A, B= 0.46 Wb
0.0E+0
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
Figura 5. Curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Sódio
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
A Figura 6 apresenta as curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com
Chumbo e a curva teórica de perda de carga do circuito dinâmico, obtidos com o BEMC-1.
6.0E+4
pressão dinâmica (N/m2 )
circ 3.8 m
4.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
I= 800 A, B= 0.9 Wb
2.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
I= 200 A, B= 0.46 Wb
0.0E+0
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
Figura 6. Curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Chumbo
A Figura 7 apresenta as curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Bismuto
e a curva teórica de perda de carga do circuito dinâmico, obtidos com o BEMC-1.
5.0E+4
circ 3.8 m
pressão dinâmica (N/m2 )
4.0E+4
I= 800 A, B= 0.9 Wb
3.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
2.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
1.0E+4
I= 200 A, B= 0.46 Wb
0.0E+0
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
Figura 7. Curvas teóricas de desempenho da bomba EM operando com Bismuto
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.
Na Tabela 2 apresentam-se os pontos de operação dinâmica da bomba eletromagnética de
corrente contínua, operando com a sua máxima capacidade, em função das fontes
disponíveis, ou seja, com a corrente principal (I) máxima de 800 A e campo magnético (B)
máximo de 0,90 Wb/m2, para os metais líquidos simulados com o BEMC-1.
Tabela 2. Pontos de operação da bomba EM para os metais líquidos simulados
Parâmetro\Fluido
Vazão (l/min)
Pressão (N/m2)
Mercúrio
7,3
41200
Sódio
14,5
10400
Chumbo
7,2
34600
Bismuto
10,4
36500
3. COMENTÁRIOS E CONCLUSÃO
Para a avaliação de desempenho da bomba EM operando com os metais líquidos de interesse
pode-se obter os pontos de operação do sistema bomba-circuito, definidos pela interseção das
curvas dinâmicas e de perda de carga de cada fluido. Nota-se que no caso de Mercúrio tanto a
pressão dinâmica como a perda de carga para a mesma vazão são as maiores delas. No caso
do Bismuto sua curva de operação é próxima à do Mercúrio, mas com menor perda de carga.
As curvas dinâmicas da bomba EM operando com Chumbo e com Sódio apresentam
inclinações praticamente iguais, pois as suas resistividades elétricas são muito próximas. A
perda de carga para o Sódio apresenta valores inferiores, em função de sua massa específica e
de sua viscosidade dinâmica serem menores, mostrando maior facilidade de bombeamento do
Sódio comparado aos outros metais líquidos simulados.
Os resultados teóricos, obtidos com o BEMC-1, mostraram a viabilidade da utilização de
bombas eletromagnéticas para o controle de escoamento de metais líquidos, considerados de
interesse para remoção de calor, em reatores nucleares rápidos.
REFERÊNCIAS
1. G. L. Lentz, et al., “EBR-II - Twenty Years of Operation Experience”. Proceeding of
Symposium on Fast Breeder Reactors: Experience and Trends, Lyon, France, (1985).
2. W. H. Hannum, Ed., “The Technology of the Integral Fast Reactor and Its Associated
Fuel Cycle”, Prog. Nucl. Energy, 31 (1997).
3. W. Kwant, et al., “PRISM Reactor Design and Development”. Proceedings of Safety of
Next Generation Power Reactors Meeting, Washington, USA, (1988).
4. A. Santos and J. A. Nascimento, “An Integral Lead Reactor Concept for Developing
Countries”, Nuclear Technology, 140, 3, pp. 233 - 254, (2002).
5. V. O. Myasnikov, et al., “Conceptual Design of Module Fast Reactor of Ultimate Safety
Cooled by Lead-Bismuth Alloy”, Trans. Am. Nucl. Soc., 67, 1, pp. 151, (1993).
6. E. M. Borges, et al., “Ensaios de Pressão Estática de Bomba Eletromagnética de Corrente
Contínua”. XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, Brasil,
(1995).
7. E. M. Borges, et al., “Software for CD Electromagnetic Pump Simulation – BEMC-1”,
Proceedings of International Congress of Mechanical Engineering – COBEM, São Paulo,
Brazil, (2003).
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.